jueves, 12 de febrero de 2009

Informe de laboratorio 1

Código: FIS-1033-05
Febrero 12, 2009
Laboratorio de Física Eléctrica

Departamento de Matemáticas y Física

©Ciencias Básicas

Universidad del Norte - Colombia



Adrián Alberto Fernández Cabrera
adrianf@uninorte.edu.co
Ingeniería Electrónica
Andrea Zogby Núñez
Ingeniería Mecánica

Carlos Mario Ocampo Yepes
carlosy@uninorte.edu.co
Ingeniería Mecánica



Abstract

This experience is with the objective of analyze the physical phenomena that appear in the process of charging electrically a body through different ways for charging a neutral body (friction, induction and contact) and the distribution of charge over a constant spherical surface trying to give an physical explanation of this phenomena.


Resumen

Esta experiencia busca analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo apartir de las diferentes formas que existen para cargar un cuerpo neutro (fricción, inducción y contacto) y la distribución de la carga sobre una superficie esférica continua, intentando dar una explicación física al porqué de estos fenómenos.


Introducción y objetivos.

El propósito de esta experiencia es mostrar experimentalmente que los cuerpos se cargan eléctricamente através de las distintas formas que existen, midiendo dicha carga analizando la distribución de esta sobre la superficie de una esfera hueca.

Apartir de esto se plantean los siguientes objetivos:

1) Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.
2) Cargar un cuerpo por fricción, inducción y contacto.
3) Comparar la distribución de cargas eléctricas en un cuerpo metálico sometido a un proceso de carga por inducción.


Marco teórico

El átomo y la carga.

Igual que la masa, la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. La carga eléctrica esta asociada con partículas que constituyen el átomo: el electrón y el protón. El simplista modelo del sistema solar del átomo se asemeja en su estructura a los planetas orbitando alrededor del sol. Los electrones son considerados como orbitando un núcleo que contiene la mayoría de la masa del átomo en la forma de protones y partículas eléctricamente neutras llamadas neutrones. La fuerza centrípeta que mantiene a los planetas en orbitas alrededor del sol es proporcionada por la gravedad. De manera similar, la fuerza que mantiene los electrones en orbita alrededor del núcleo es la fuerza eléctrica. Sin embargo hay distinciones importantes entre las fuerzas gravitatorias y eléctricas.

Una distinción básica es que solo hay un tipo de masa en la naturaleza, y se sabe que las fuerzas gravitatorias son solo atractivas. Sin embargo, la carga eléctrica existe en dos tipos distinguidas por el tipo: (+) positiva y (-) negativa. Los protones llevan una carga positiva y los electrones una negativa. Las diferentes combinaciones de los dos tipos de carga pueden producir fuerzas eléctricas atractivas y repulsivas.

Las direcciones de las fuerzas eléctricas cuando las cargas interactúan entre si, están dadas por el siguiente principio, llamado ley de las cargas o ley carga-fuerza:

“Cargas iguales se repelen entre si, y cargas desiguales se atraen entre si”

Al tratar con cualquier fenómeno eléctrico, otro importante principio es el de la conservación de la carga:

“La carga neta de un sistema aislado permanece constante”

Cuantificación de la carga

En 1909, Robert Andrews Millikan (1868-1953) confirmo experimentalmente que la carga eléctrica siempre se presenta como un múltiplo entero de cierta cantidad fundamental de carga e. En términos actuales se dice, que la carga q esta cuantizada, donde q es el símbolo estándar utilizado para la carga. En el experimento de Millikan se encontró que la unidad fundamental de la carga es :

e= 1.602 * 10-19 C

Cualquier carga q debe ser un múltiplo entero de esta unidad fundamental. Esto es:
Q= Ne, para todo N ε Z

Invariancia relativista

La magnitud de la carga, medida en diferentes sistemas inerciales de referencia, resulta ser igual. Por consiguiente, la carga eléctrica es una invariante relativista. De esto se sigue que la magnitud de la carga no depende de su estado de movimiento o reposo.

Procedimiento experimental.

Toma de datos

Carga por fricción.

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio

3) Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.

4) Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.

6) Introducimos el productor de carga azul en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.

7) Finalizamos la toma de datos.

8) Observamos las graficas obtenidas.

Carga por inducción.

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio

3) Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.

4) Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta.

5) Cuando el productor de carga blanco estaba en el interior de la jaula, tocamos la jaula con el
dedo para aterrizarla momentáneamente.

6) Retiramos el dedo y el productor de carga.

7) Finalizamos la toma de datos.

8) Observamos las graficas obtenidas.

9) Descargamos la jaula, pusimos en “zero” el sensor y repetimos el procedimiento anterior con el productor de carga azul.

Carga por contacto

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio.

3) Frotamos los portadores de carga azul y blanco.

4) Tocamos la jaula que esta conectada al borde positivo con el portador azul, observamos el signo de la carga y registramos su valor.

5) Descargamos la jaula.

6) Tocamos la jaula que esta conectada al borde positivo con el portador blanco, observamos el signo de la carga y registramos su valor.

Distribución de la carga sobre una superficie.

1) Ubicamos las 2 esferas de aluminio una alejada de la otra de tal manera que una estaba conectada a la fuente de voltaje electrostática.

2) Aterrizamos momentáneamente la otra esfera.

3) Confirmamos que esta esfera estaba descargada tomando muestras en diferentes secciones de la misma e introduciéndola en la jaula de Faraday.

4) Acercamos las 2 esferas a una distancia de 1 cm

5) Encendimos la fuente de voltaje y tomamos muestra de carga en las mismas secciones de la esfera antes descargada introduciéndola en la jaula de Faraday.

6) Observamos las graficas obtenidas.


Datos Obtenidos

A continuación se presentan las distintas graficas obtenidas mediante Data Studio en las diferentes experiencias:

Carga por fricción azul-blanco.

















Carga por fricción blanco-azul.


















Carga por inducción blanca.


















Carga por inducción azul.


















Cargas por contacto




















Distribución de carga:

Esfera neutra.


















Contacto de la esfera desde el borde opuesto a la esfera cargada.


















Análisis y discusión de resultados

Apartir de las graficas obtenidas nos damos cuenta que después de que los productores de carga se frotan, el productor de carga blanco (cuero) obtiene una carga de signo negativo pues adquiere electrones al momento de la fricción por parte del productor de carga azul (acrílico), y este a su vez adquiere una carga positiva pues le ha donado electrones al productor blanco (ley de la conservación de carga).

Por medio de las graficas también nos damos cuenta que la esfera cargada positivamente es decir aquella conectada a la fuente de voltaje electrostática, induce una carga negativa en el lado próximo a la esfera neutra por la ley carga-fuerza que afirma que cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, por consiguiente las cargas positivas se alejan de la esfera de igual carga (negativas se acercan), quedando a su vez la esfera antes neutra polarizada negativamente del lado cercano a la esfera positiva.

En los procesos de inducción pudimos observar que al tocar la jaula de Faraday estando dentro de ella el productor de carga blanca, la medición de la jaula tiende a invertirse, la razón de esto es que al tocar la jaula con nuestro cuerpo, hacemos un efecto de polo a tierra, cargando la Jaula positivamente con una carga igual y opuesta a aquella del productor que esta cargado negativamente. En el caso del productor de carga azul el proceso se invierte.

Para las cargas por contacto tenemos que al tocar la Jaula conectada al borde positivo con el productor de carga azul, los electrones de más en este se transfieren a la jaula quedando esta cargada negativamente, cuando tocamos a esta con la carga positiva la jaula nos muestra su carga positiva, y también queda cargada positivamente.

Conclusiones

Luego de esta experiencia se concluye con una base experimental que la ley de cargas se mantiene para todo marco de referencia, en otras palabras probamos la propiedad de la invariancia relativista pues nos damos cuenta que no importa en que situación ni el marco de referencia que tomemos, las graficas siempre muestran el mismo comportamiento para la misma carga en la misma situación. También concluimos que estos comportamientos se mantienen constantes siempre y cuando la situación se mantenga también constante, pues la carga neta sobre un cuerpo permanece constante (ideal). En el caso de la distribución superficial de cargas concluimos, que al acercar un objeto cargado a uno neutro, al ser este ultimo buen conductor los electrones se mueven através de él con mucha facilidad, razón por la cual se polariza fácilmente quedando del lado opuesto a la esfera cargada, con una carga positiva mayor a la carga positiva de los lados, y con una carga negativa en la parte mas cercana a la esfera cargada, aunque sus carga neta permanezca neutra por no haber transferencia de electrones.

Referencias bibliográficas.

1. J. wilson y A. Buffa , Física , 5ta Edición , Pearson Educacion (2003).
2. J. Kane y M. Sterheim, Física, 2da Edición, Reverté S.A (2000).
3. A. Olivos y D. Castro, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, 1ra Edición, Ediciones Uninorte (2008)


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